CN100555673C - 染料敏化纳米晶体TiO2太阳能电池 - Google Patents

染料敏化纳米晶体TiO2太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种染料敏化纳米晶体TiO2太阳能电池，属于太阳能电池技术领域。包括：半导体电极(1)、液态电解质(5)、对电极(6)、密封材料(7)。该TiO2太阳能电池设置了用于储存液态电解质(5)的储液池(51)、和从该TiO2太阳能电池的外部向储液池(51)补充液态电解质(5)的补液通道(52)。在该TiO2太阳能电池内部能够储存较多的液态电解质(5)，从而可以维持较长的工作寿命，同时通过补充液态电解质(5)，可以避免因液态电解质(5)的挥发泄漏造成TiO2太阳能电池的失效。

Description

染料敏化纳米晶体TiO2太阳能电池
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，特别是提供了一种染料敏化纳米晶体TiO2太阳能电池，尤其是涉及一种具备储存液态电解质的储液池和从该染料敏化纳米晶体TiO2太阳能电池的外部向储液池补充液态电解质的补液通道的染料敏化纳米晶体TiO2太阳能电池。
背景技术
染料敏化纳米晶体TiO2太阳能电池(以下简称TiO2太阳能电池)以其优良的性能和低成本获得人们的关注，并在十余年内得到了迅速发展，被认为是未来光伏发电最有前景的发展方向之一。目前，这一领域的研究工作涉及到半导体薄膜材料、染料、电解质、导电玻璃、封装技术等各个方面。
过去的TiO2太阳能电池的结构如图1所示。作为该TiO2太阳能电池的一个电极，即所谓半导体电极1，在由玻璃基板10和导电薄膜11组成的导电玻璃的表面涂覆有纳米晶体TiO2薄膜2，纳米晶体TiO2薄膜2上吸附有敏化染料3。作为TiO2太阳能电池的另一个电极，即所谓对电极6，在由玻璃基板60和导电薄膜61组成的导电玻璃的表面涂覆有铂或碳等催化剂。半导体电极1和对电极6通过密封材料7组合在一起。在半导体电极1和对电极6之间，充填有液态电解质5。TiO2太阳能电池在工作时，通过敏化染料3有效地吸收太阳光的能量，并将在敏化染料3中激发的电子注入到纳米晶体TiO2薄膜2的导带中。而注入到纳米晶体TiO2薄膜2的导带中的电子又传送到与纳米晶体TiO2薄膜2相结合的导电薄膜11上，然后经过负载4到达对电极6。液态电解质5的作用则是将对电极6上的电子传送到敏化染料上。对电极6上的铂或碳作为催化剂，促进对电极6上的电子转移到液态电解质5。
TiO2太阳能电池现在面临的一个主要问题是电池使用寿命的缩短，而导致电池使用寿命缩短的一个主要原因是由于TiO2太阳能电池中采用液态电解质，而液态电解质随着时间的推移，有可能因挥发而从电池中泄漏出去，从而导致TiO2太阳能电池的失效。
作为解决上述液态电解质挥发泄漏的方法，可以改进电池封装技术和采用固态电解质。
TiO2太阳能电池一般采用环氧树脂等有机密封材料对电池进行密封。但有机密封材料容易老化失效，从而加剧了液态电解质的挥发泄漏。可以采用密封效果更好的低熔点玻璃作为密封材料的技术(蔡春平，低熔点微晶封接玻璃的研究，应用光学，1995，16，pp.33-39)。但是低熔点玻璃中含有的其他元素(例如铅等)有可能与液态电解质中的碘发生相互作用，进而影响电解质的效果。
另外，采用固态电解质代替液态的碘电解质，能够避免电解质挥发问题(李斌、邱勇，染料敏化太阳能电池，感光科学与化学，2000，18(4)，pp.336-347)。但是，固态电解质的离子迁移速率低于液态电解质的离子迁移速率，从而使得固态电解质的TiO2太阳能电池的光电转换效率低于液态电解质的TiO2太阳能电池的光电转换效率。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种染料敏化纳米晶体TiO2太阳能电池，一种具备储存液态电解质的储液池和从该TiO2太阳能电池的外部向储液池补充液态电解质的补液通道的TiO2太阳能电池，从而能够克服液态电解质的挥发泄漏的问题，同时又避免因固态电解质而造成的光电转换效率的低下。
本发明包括：半导体电极1、液态电解质5、对电极6、密封材料7。本发明设置了用于储存液态电解质的储液池51、从染料敏化纳米晶体TiO2太阳能电池的外部向储液池51补充液态电解质的补液通道52，储液池51设置在对电极6的面向半导体电极1的一面，由于储液池51设置在对电极6的面向半导体电极1的一面，从而容易进行TiO2太阳能电池的组装。
由于TiO2太阳能电池内部存在储液池51，增加了TiO2太阳能电池内部的液态电解质的数量，从而延长了TiO2太阳能电池的使用寿命。而且，因为设置有补液通道52，当TiO2太阳能电池内部的液态电解质5由于挥发泄漏而减少后，可以打开补液通道52处的密封材料7，通过补液通道52补充液态电解质5，进而更加延长了TiO2太阳能电池的使用寿命。
在对电极6的背向上述半导体电极1的一面上，覆盖有盖板64，储液池51设置在对电极6的背向半导体电极1的一面，储液池51内的液态电解质5可以通过设置在上述对电极1上的贯通孔63到达对电极6的面向上述半导体电极1的一面。储液池51设置在对电极6的背向半导体电极1的一面，因而可以设置较大容积的储液池51，且不会由于储液池51的设置而影响对电极6的催化效果。
在对电极6的背向半导体电极1的一面上，覆盖有盖板64，储液池51设置在盖板64的面向对电极6的一面，储液池51内的上述液态电解质5可以通过设置在上述对电极6上的贯通孔63到达上述对电极6的面向上述半导体电极1的一面。由于储液池51设置在盖板64的面向对电极6的表面，在对电极6上只设置有贯通孔63，因而可以设置较大容积的储液池51，且不会由于储液池51的设置而影响对电极6的催化效果，同时简化了对电极6的制作工艺。
补液通道52设置在对电极6的面向半导体电极1的一面上，与对电极6的表面平行。由于补液通道52与对电极6的表面平行，因此可以减少染料敏化纳米晶体TiO2太阳能电池的整体厚度，方便TiO2太阳能电池的安装使用。
补液通道52设置在对电极6上，与上述对电极6的表面垂直。由于补液通道52与对电极6的表面垂直，因此可以在TiO2太阳能电池的中心附近设置补液通道52，从而加快补充液态电解质的操作。
补液通道52设置在盖板64的面向对电极6的一面，与盖板64的表面平行。由于补液通道52与盖板64的表面平行，因此可以减少染料敏化纳米晶体TiO2太阳能电池的整体厚度，方便TiO2太阳能电池的安装使用。
补液通道52设置在盖板64上，与盖板64的表面垂直。由于补液通道52与盖板64的表面垂直，因此可以在TiO2太阳能电池的中心附近设置补液通道52，从而加快补充液态电解质的过程。
本发明的液通道52有2～10条。因此在补充液态电解质时，可以将其中至少1条补液通道作为排气通道，从而加快补充液态电解质的过程。
发明效果：
本发明的TiO2太阳能电池由于具有储液池和补液通道，在TiO2太阳能电池内部能够储存有较多的液态电解质，可以使TiO2太阳能电池维持较长的工作寿命，同时在液态电解质因挥发泄漏而减少时，可以打开补液通道处的密封材料，通过补液通道补充液态电解质，从而可以避免因液态电解质的挥发泄漏造成TiO2太阳能电池的失效。
附图说明
图1为过去的TiO2太阳能电池的结构示意图。其中，半导体电极1，玻璃基板10，导电薄膜11，纳米晶体TiO2薄膜2，负载4，液态电解质5，对电极6，密封材料7，玻璃基板60，导电薄膜61，Pt薄膜62。
图2为本发明实施例1的对电极的主视图。其中，储液池51，补液通道52。
图3为本发明实施例1的对电极的俯视图。
图4为本发明实施例1的TiO2太阳能电池的结构示意图。
图5表示本发明实施例1的TiO2太阳能电池的短路电流随时间的变化。
图6表示本发明实施例1的TiO2太阳能电池的开路电压随时间的变化。
图7为本发明实施例2的对电极的主视图。其中，贯通孔63。
图8为本发明实施例2的对电极的俯视图。
图9为本发明实施例2的TiO2太阳能电池的结构示意图。其中，盖板64
图10表示本发明实施例2的TiO2太阳能电池的短路电流随时间的变化。
图11为本发明实施例3的对电极的主视图。
图12为本发明实施例3的对电极的俯视图。
图13为本发明实施例3的盖板的主视图。
图14为本发明实施例3的盖板的俯视图。
图15为本发明实施例3的TiO2太阳能电池的结构示意图。
图16表示本发明实施例3的TiO2太阳能电池的短路电流性能随时间的变化。
图17为本发明实施例4的盖板的主视图。
图18为本发明实施例4的盖板的俯视图。
图19为本发明实施例4的TiO2太阳能电池的结构示意图。
图20表示本发明实施例4的TiO2太阳能电池的短路电流随时间的变化。
1半导体电极，10玻璃基板，11导电薄膜，2纳米晶体TiO2薄膜，4负载，5液态电解质，51储液池，52补液通道，6对电极，60玻璃基板，61导电薄膜，62Pt薄膜，63贯通孔，64盖板，7密封材料
具体实施方式
下面参照附图，说明本发明的实施例态。
实施例1
制备半导体电极1时所用的基体材料为面电阻为20-30欧姆的ITO导电玻璃，裁成2.5cm×2.5cm尺寸，然后清洗干净。所使用的纳米晶体TiO2粉末是工业用P25型TiO2粉末，其平均粒径为25-30nm，比表面积为50m2/g，TiO2含量大于99.5％，为锐钛矿相与金红石相的混合结构。采用粉末涂敷法在ITO导电玻璃上制备TiO2薄膜，其过程为：将8mL去离子水与1.0g P25粉末充分混合后加入几滴PEG并充分研磨后配制成悬浊液的浆料，将配制好的浆料均匀地涂抹在已裁好并清洗干净的ITO导电玻璃上，在450℃保温60分钟。然后将已经涂覆有TiO2薄膜的ITO导电玻璃放入染料溶液进行浸泡。所用染料为N3染料，采用无水乙醇作溶剂配制成染料溶液，染料浓度为0.3g/L。染料浸泡后对半导体电极1进行清洗、干燥。
制备对电极6时所用的基体材料为面电阻为20-30欧姆ITO导电玻璃，裁成2.5cm×2.5cm尺寸。在对电极6的面向半导体电极1的一面、即具有导电薄膜11的一面，利用氢氟酸腐蚀，形成如图2、3所示形状的储液池51和补液通道52。然后利用化学镀方法，在ITO导电玻璃上制备Pt薄膜。化学镀所使用的电镀液为：0.5gH2PtCl4.6H2O，5g(NH4)2HPO4，15gNa2HPO4配制成100ml的水溶液，加热溶解成橙色的透明水溶液，然后加入一定量的NaOH调解pH值至8。电镀时电镀液要维持在80℃，电压为4-5V。
液态电解质为碘化锂(LiI)与碘(I2)的碳酸丙烯酯溶液，其中碘化锂(LiI)的浓度为0.5M，碘(I2)的浓度为0.05M，溶剂为碳酸丙烯酯。
利用环氧树脂密封TiO2太阳能电池。所得到的TiO2太阳能电池的结构如图4所示。当液态电解质因挥发泄漏而减少时，除去补液通道52处的密封材料7，通过补液通道52补充液态电解质5，然后再次利用环氧树脂对补液通道52进行密封。
图5、6表示实施例1的TiO2太阳能的短路电流和开路电压随时间变化的关系。从图5、6可知，随着液态电解质5的挥发，TiO2太阳能电池的短路电流会逐渐减小，但开路电路没有明显下降。通过补充液态电解质5(图中箭头所示位置)后，短路电路大幅度回升。
实施例2
本实施例的半导体电极1、液态电解质5、以及密封方法均与实施例1相同。与实施例1不同的是，在本实施例中，在对电极6上的背向半导体电极1的一面，利用氢氟酸腐蚀，形成储液池51和补液通道52，同时在对电极6上形成贯通孔63，如图7、8所示。另外，在本实施例中，具有盖板64。该盖板64为一块平板玻璃，用于覆盖对电极6上的储液池51和补液通道52。这里省略盖板64的图示说明。所得到的TiO2太阳能电池的结构如图9所示。
图10表示实施例2的TiO2太阳能电池的短路电流随时间变化的关系。从图10可知，随着液态电解质的挥发，TiO2太阳能电池的短路电流会逐渐减小。但是由于储液池51的容积大于实施例1，因此短路电流减小所需时间比实施例1更长。通过补充液态电解质5后，短路电路大幅度回升。实施例2的TiO2太阳能电池的开路电压的变化与实施例1相同，这里省略说明。
实施例3
本实施例的半导体电极1、液态电解质5、以及密封方法均与实施例2相同。
与实施例2不同的是，在本实施例中，在对电极6上开设有贯通孔63，如图11、12所示。在盖板64的面向对电极6的一面上设置有储液池51和补液通道52，如图13、14所示。所得到的TiO2太阳能电池的结构如图15所示。
图16表示实施例3的TiO2太阳能电池的短路电流随时间变化的关系。从图16可知，实施例3的TiO2太阳能电池的功能与实施例2大致相同。实施例3的TiO2太阳能电池的开路电压的变化与实施例2相同，这里省略说明。
由于实施例3中的储液池51和补液通道52均设置在盖板64上，对电极6上只设置有贯通孔63，因此简化了对电极6的制备工艺。
实施例4
本实施例的半导体电极1、液态电解质5、储液池51以及密封方法均与实施例3相同。
与实施例3不同的是，在本实施例中，补液通道52设置在盖板64的平面中心附近，如图17、18所示。所得到的TiO2太阳能电池的结构如图19所示。
图20表示实施例4的TiO2太阳能电池的性能随时间变化的关系。从图20可知，实施例4的TiO2太阳能电池的功能与实施例3大致相同。
由于实施例4中的储液池51和补液通道52均设置在盖板64上，对电极6上只设置有贯通孔63，因此简化了对电极6的制备工艺。另外，由于补液通道52设置在盖板64的平面中心附近，靠近储液池51，因此补充的液态电解质5能够较快地到达储液池51，从而缩短了补充液态电解质5所需的时间。
上述实施例1-4仅为说明本发明的内容，但本发明并不局限于此。例如，在实施例1-4中，储液池的形状为矩形，显然本发明的储液池也可以为圆形、椭圆形等各种形状，只要具有储存液态电解质的功能即可。在实施例1-4中，利用氢氟酸腐蚀形成储液池和补液通道，也可以通过机械抛光等其他方法形成储液池和补液通道。另外，在实施例1-4中，采用了1块盖板，以构成储液池和补液通道。但也可以采用2块或2块以上的盖板，以构成容积更大储液池和数量更多的补液通道。

Claims (7)

1、一种染料敏化纳米晶体TiO2太阳能电池，包括半导体电极、液态电解质、对电极、密封材料，其特征在于：设置了用于储存液态电解质的储液池(51)、从染料敏化纳米晶体TiO2太阳能电池的外部向储液池(51)补充液态电解质的补液通道(52)，储液池(51)设置在对电极(6)的面向半导体电极(1)的一面，补液通道(52)设置在对电极(6)上，与对电极(6)的表面垂直。
2、根据权利要求1所述的染料敏化纳米晶体TiO2太阳能电池，其特征在于：补液通道(52)设置在对电极(6)的面向半导体电极(1)的一面上，与对电极(6)的表面平行。
3、根据权利要求1所述的染料敏化纳米晶体TiO2太阳能电池，其特征在于：在对电极(6)的背向上述半导体电极(1)的一面上，覆盖有盖板(64)，储液池(51)设置在对电极(6)的背向上述半导体电极(1)的一面，储液池(51)内的液态电解质通过设置在上述对电极(1)上的贯通孔(63)到达对电极(6)的面向半导体电极(1)的一面。
4、根据权利要求1所述的染料敏化纳米晶体TiO2太阳能电池，其特征在于：在对电极(6)的背向半导体电极(1)的一面上，覆盖有盖板(64)，储液池(51)设置在盖板(64)的面向对电极(6)的一面，储液池(51)内的液态电解质通过设置在对电极(6)上的贯通孔(63)到达上述对电极(6)的面向上述半导体电极(1)的一面。
5、根据权利要求3或4所述的染料敏化纳米晶体TiO2太阳能电池，其特征在于：补液通道(52)设置在盖板(64)的面向对电极(6)的一面，与盖板(64)的表面平行。
6、根据权利要求3或4所述的染料敏化纳米晶体TiO2太阳能电池，其特征在于：补液通道(52)设置在盖板(64)上，与盖板(64)的表面垂直。
7、根据权利要求1-4中任一项所述的染料敏化纳米晶体TiO2太阳能电池，其特征在于：补液通道有2～10条，在补充液态电解质时，将其中至少1条补液通道作为排气通道，以加快补充液态电解质的过程。
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